北京工业大学李易教授为您解读装配整体式混凝土框架抗连续倒塌试验

建筑结构的连续倒塌是指意外灾害事件作用（如炸弹袭击、火灾、燃气爆炸、运载工具撞击和施工失误等）引起结构的小范围初始局部破坏，这种破坏在结构系统中传播并引发连锁反应，最终导致与初始局部破坏不成比例的倒塌破坏。

连续倒塌是整体结构系统在超大变形下的非线性动力行为，具体体现在如下两个方面：在结构变形方面，由于动力效应的影响，内力和变形均被放大，结构发生连续倒塌时的变形可达到常规灾害作用下结构极限变形的10倍量级；在系统行为方面，连续倒塌是构件大变形破坏在整体结构系统内的连续传播，初始破坏发生的位置和破坏规模对结构系统连续倒塌的规律具有重要影响。2001年美国纽约“911事件”中世贸中心大厦由飞机撞击及次生火灾引起的连续倒塌引发了科学界和工程界对建筑结构系统连续倒塌问题的广泛关注。

近年来，装配式混凝土结构在国内得到了快速发展。在2016年，国务院办公厅发布了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，鼓励发展装配式建筑，提高装配式建筑在新建建筑中的比例，提升劳动生产效率和质量安全水平，力争用10年左右的时间将装配式建筑的应用比例达到占新建建筑面积的30%。同时，随着《北京住房和城乡建设发展白皮书(2021)》的发布，装配式建筑的发展将会进一步加快。但是关于其抗连续倒塌性能的研究还不充分，T/CECS 392—2021《建筑结构抗倒塌设计标准》中关于装配式混凝土结构的抗倒塌设计的规定较为有限。

在常规设计过程中，主要考虑装配式混凝土框架结构的节点在竖向重力荷载、侧向地震作用和风荷载作用下的承载和变形能力。在结构发生连续倒塌时，框架梁的容许极限挠度可达到梁跨度的1/5，在这种大变形受力状态下，梁柱节点受力模式发生变化，即除承受弯矩外，节点还需承受显著的拉力和剪力作用。而装配式节点构造形式多样，在大变形情况下，采用不同节点构造的结构抗倒塌性能各有不同，因此有必要研究不同节点构造的装配式混凝土框架结构的抗连续倒塌性能。

针对JGJ1—2014《装配式混凝土结构技术规程》中建议的装配整体式框架结构构造形式，设计了2个装配整体式双跨梁柱子结构试件PC1、PC2和1个现浇对比试件RC。其中，试件PC1的梁、柱纵向钢筋分别采用机械套筒连接和套筒灌浆连接，梁纵筋在边柱节点区采用锚固板锚固。试件PC2的梁纵筋在节点区90°弯折锚固，柱纵筋采用约束浆锚连接。子结构构件从原型整体结构中选取，为考虑周边框架对子结构的约束，相邻的梁柱均在反弯点处进行截取，试验中在此处采用铰接装置与反力架连接和固定，以模拟整体结构对试件的约束。PC1和PC2的配筋图如图1所示。

对试件进行7点拟均布加载，以研究在实际重力荷载作用下中柱失效后结构变形与抗力发展情况，如图2所示。在柱底和两端的铰连接装置中串联力传感器，以直接测量结构竖向和水平反力。通过激光位移计测量试件的竖向、水平位移以及柱坐浆层的滑移。

3.1  破坏模式与抗力发展

拟均布荷载作用下，试件PC1、PC2和RC的受弯裂缝开展过程相同（图3）。随中柱竖向位移增加，裂缝首先在边柱处梁端开展，随后中柱处梁端也有裂缝开展；随着加载继续进行，梁底裂缝和梁顶裂缝分别从中柱端和边柱端向节点区外发展，最终梁底裂缝分布在中柱左右2/3跨度内，梁顶裂缝分布在靠近边柱的1/3跨度内。

（a）试件PC1

（b）试件PC2

（c）试件RC

3个试件的最终破坏模式见图4。均布荷载作用下，边柱处梁端变形较大，发生集中破坏，而中柱处梁端变形较小，破坏程度较小。由于右侧相邻跨梁对右边柱节点提供了额外的水平约束，导致右跨变形略大，试件RC与PC2均在右侧边柱梁端处钢筋断裂。试件PC1左跨边柱节点区采用锚固板锚固钢筋，其锚固效果优于采用钢筋弯折锚固的，左侧边柱梁端钢筋断裂。总体上，装配整体式试件的梁破坏模式与现浇试件的相近， 均为延性受弯破坏。

结构抗力和水平反力随结构变形发展如图5和图6所示。在压拱（CAA）机制阶段，由于后浇部分采用了更高强度混凝土（后浇部分混凝土强度等级为C45，预制部分与现浇构件混凝土强度等级为C40），试件PC1与PC2的受弯能力得到提升，其压拱机制阶段抗力较试件RC的分别提高了22.9%和20.2%，但峰值位移相近（107~135 mm）。在悬链线（CA）机制阶段，锚固板更强的约束效果使试件PC1中钢筋应变发展迅速、边柱节点钢筋提前发生断裂破坏，其悬链线机制阶段抗力较试件RC的低9.5%；均采用90°弯折的锚固的装配整体式试件PC2与现浇试件RC悬链线机制阶段的抗力相近（158~164 kN）。

3.2 试件变形

图7中展示了达到悬链线机制阶段峰值抗力时试件的框架梁竖向挠度和转动变形。框架梁整体呈弯曲变形，拟均布加载下3个试件的挠度分别仅为跨度的1/7.1、1/8.8和1/7（对应的整体转角分别为8.6°、6.8°和8.7°），未满足T/CECS 392—2021中对于梁挠度应达到跨度1/5的要求，但其边柱梁端最终转动角度均大于规范要求（11.3°）。显然，在均布荷载作用下，框架梁的变形规律与集中荷载作用下的不同，边柱梁端截面的转动远大于中柱梁端截面的转动，对结构整体变形能力具有控制作用。因此，均布荷载作用下，装配整体式混凝土框架和现浇混凝土框架梁端均需要具备较T/CECS 392—2021规定的更高的转动能力，才能保证梁整体变形满足挠度大于跨度1/5的要求。

框架柱的水平侧移如图8所示。在达到悬链线机制阶段峰值抗力时，现浇试件RC左边柱在梁轴线高度处的侧向变形最大，装配整体式试件PC1、PC2边柱在梁顶坐浆层处的侧向变形最大，这是因为，在水平剪力作用下，坐浆层的滑移降低了此处的节点约束；对比两侧边柱的坐浆层滑移可以发现，外伸梁提供的额外约束能够有效减小滑移作用。整体上，尽管装配整体式混凝土框架柱坐浆层处发生滑移，但并未显著影响其破坏模式和承载力。

图8  框架柱水平侧移

3.3 承载力计算

在压拱机制阶段，梁柱节点处于压弯的复杂受力状态，为更好地理解装配式节点在连续倒塌过程中的受力性能，本文中根据试验的约束反力计算了压拱机制阶段承载力（图9与式(1)~(3)），并参考周育泷等 ^[1] 提出的模型，分别计算受弯作用与压拱机制作用提供的抗力。与试验结果相比，三个试件的承载力计算误差最大仅为6.7%，表明该计算方法能够较准确的反映现浇结构和装配整体式结构在压拱机制峰值时的连续倒塌抗力机制，其中试件PC1和PC2压拱机制的抗力贡献率分别为11.4%和14.1%，略低于试件RC的（17.7%），这是由于边柱坐浆层处水平滑移对柱造成了损伤，削弱了试件的侧向约束；相应的，这也说明两装配式试件由于采用更高强度的后浇混凝土，其受弯作用显著提升。该计算方法建立了试件水平约束反力与承载力的关系，能够为相似试验提供有效的分析压拱机制抗力的手段。

装配整体式混凝土结构作为国家大力发展的结构形式，关于其抗连续倒塌性能和抗连续倒塌设计方法的研究和实践还较为缺乏，为系统建立其抗连续倒塌工程设计方法，还需要在以下方面开展深入的研究：

1）以节点受力机理为基础（特别是不同钢筋连接形式以及装配柱的连接形式对承载力的影响），建立装配整体式混凝土结构的大变形下静力倒塌抗力计算方法；

2）除梁柱节点外，装配整体式结构的梁-板、板-板之间也可通过不同的手段进行拼接，其连接性能及大变形下的协同受力都与现浇结构有所差异，尚需进一步研究其机理并建立相应的设计方法；

3）开展动力连续倒塌试验和理论研究，评估动力倒塌效应对节点损伤和结构倒塌抗力需求的影响，建立装配整体式混凝土结构的动力放大系数计算方法。

参考文献：

[1] 周育泷, 李易, 陆新征, 等. 钢筋混凝土框架抗连续倒塌的压拱机制分析模型[J]. 工程力学, 2016, 33(4): 34-42.